專利名稱：巖層應(yīng)力模擬夾持裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種模擬巖層應(yīng)力的試驗(yàn)裝置，具體地說，是一種在煤與瓦斯 突出試驗(yàn)中多角度模擬巖層應(yīng)力的巖層應(yīng)力模擬夾持裝置。
技術(shù)背景在煤與瓦斯突出機(jī)理研究方面被廣大學(xué)者普遍接受的是綜合作用假說，它 認(rèn)為煤與瓦斯突出是由應(yīng)力、瓦斯壓力和煤的力學(xué)性質(zhì)綜合作用的結(jié)果，但到 目前為止，地應(yīng)力、瓦斯壓力和煤的力學(xué)性質(zhì)在突出過程中的作用機(jī)理也尚未明確。前蘇聯(lián)在20世紀(jì)50年代就進(jìn)行了一維突出模擬實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)表明只有在 很大瓦斯壓力梯度下(每一厘米瓦斯壓力下降幾個兆帕)煤才有可能被破碎和拋 出。20世紀(jì)60年代初，日本學(xué)者氏平增之在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行瓦斯拋射煤粒試驗(yàn)，利 用C02的結(jié)晶冰、松香、水泥、煤粒制作了多孔介質(zhì)模型模擬突出，試驗(yàn)在多孔 介質(zhì)孔隙瓦斯壓力下引起材料的破碎和拋出，最后發(fā)展為類似蘇聯(lián)的綜合考慮 地層應(yīng)力和瓦斯壓力的突出模擬試驗(yàn)。與蘇聯(lián)的突出模擬試驗(yàn)相比，日本模擬 裝置的優(yōu)點(diǎn)在于模型中有一段模擬圍巖的水泥段，能進(jìn)行"掘進(jìn)"等作業(yè)；其 缺點(diǎn)是用冰、水泥或松香等這些無瓦斯吸附能力的材料做模型，不論其物化性 質(zhì)或力學(xué)性質(zhì)都與煤相差甚遠(yuǎn)。不能算是真正的模擬，只能算作是"復(fù)制"。在國內(nèi)，20世紀(jì)80年代初，我國煤炭科學(xué)研究院撫順分院王佑安教授首先 開展了煤與瓦斯突出一維模擬試驗(yàn)研究，現(xiàn)場采集煤樣，實(shí)驗(yàn)室成型，模擬W、 V類突出危險煤，得出了一維條件下突出強(qiáng)度同垂直應(yīng)力、瓦斯壓力之間的定量關(guān)系。1996年，中科院力學(xué)所孟祥躍等人開發(fā)了既能改變地應(yīng)力又能改變瓦斯 壓力的二維煤與瓦斯突出實(shí)驗(yàn)裝置。2000年中國礦業(yè)大學(xué)郭立穩(wěn)、俞啟香、蔣 承林通過煤與瓦斯突出裝置研究了突出過程中的溫度變化，認(rèn)為在煤與瓦斯突 出過程中，煤體溫度的升高是由地應(yīng)力破碎煤體使彈性能釋放造成的，而溫度降 低則是由于瓦斯氣體解吸和膨脹造成的，其變化是先升高后降低并連續(xù)變化的。 2002年焦作工學(xué)院牛國慶、顏愛華、劉明舉等也設(shè)計(jì)了煤與瓦斯突出裝置，用 來考察煤與瓦斯突出過程中的溫度變化，研究結(jié)果認(rèn)為在煤與瓦斯突出過程中， 瓦斯的膨脹做功過程并非絕熱過程，而是一個接近于等溫過程的多變過程。2004 年焦作工學(xué)院蔡成功等又按照相似理論設(shè)計(jì)了三維煤與瓦斯突出模擬實(shí)驗(yàn)裝 置，實(shí)驗(yàn)?zāi)M了不同煤型強(qiáng)度、三向應(yīng)力、瓦斯壓力條件下的煤與瓦斯突出過 程，得出了突出強(qiáng)度同瓦斯壓力、煤型強(qiáng)度、三向應(yīng)力、瓦斯壓力關(guān)系數(shù)學(xué)模型， 分析認(rèn)為，應(yīng)力和煤的力學(xué)性質(zhì)是決定突出強(qiáng)度的主要因素。蔡成功等在原有實(shí) 驗(yàn)裝置上進(jìn)行改進(jìn)，又按相似理論設(shè)計(jì)了三維煤與瓦斯突出模擬實(shí)驗(yàn)裝置。該 實(shí)驗(yàn)裝置用來進(jìn)行模擬突出的煤樣模型尺寸的長、寬、高為225mmX 225mm X 137 mm。應(yīng)力施加系統(tǒng)為TYS-500型巖石應(yīng)力試驗(yàn)機(jī)。垂直軸壓直接由試驗(yàn)機(jī) 軸向系統(tǒng)施加。側(cè)向應(yīng)力為圍壓，用專用的側(cè)向液壓油缸施加，液壓油由試驗(yàn) 機(jī)側(cè)壓系統(tǒng)供液。在突出模擬時用標(biāo)準(zhǔn)精密壓力表和試驗(yàn)機(jī)計(jì)量系統(tǒng)共同計(jì)量 施加的壓力。煤樣成型后，連續(xù)脫氣48h，然后充氣吸附48h以上。當(dāng)應(yīng)力、瓦 斯壓力無變化，即裝置無漏氣、卸載時，采用機(jī)械方式突然打開突出口，使其 發(fā)生突出完成實(shí)驗(yàn)。為安全起見，充氣介質(zhì)采用C02。原有煤與瓦斯突出實(shí)驗(yàn)裝置，雖在一定程度上加深了煤與瓦斯突出機(jī)理的 研究進(jìn)展，但都存在以下缺點(diǎn)1、 以上幾個實(shí)驗(yàn)裝置的模型均是水平的，而現(xiàn)實(shí)情況，井下為水平傾角的 煤層相對較少，與不能完全模擬現(xiàn)場實(shí)際含瓦斯煤層，尤其是頂?shù)装迨T揭煤突出情況所遇到的煤層都是傾斜的，現(xiàn)有裝置都無法模擬；2、 除此之外，以上所有的實(shí)驗(yàn)裝置所施加的應(yīng)力也都是均勻的，只能整體 模擬巖面壓力，不能模擬采面由于采礦活動造成的局部應(yīng)力集中，而應(yīng)力集中 往往又是造成突出的重要因素。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種巖層應(yīng)力模擬夾持裝置，既能整體模擬巖面壓力， 也能模擬出采面由于采礦活動造成的局部應(yīng)力集中。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明描述了一種巖層應(yīng)力模擬夾持裝置，其關(guān)鍵在于 包括矩形反力框架，在該反力框架的兩個橫邊內(nèi)壁都固定有至少一排液壓缸， 其中上、下橫邊上的上、下液壓缸推桿上分別固定有上、下壓塊，所述上、下 液壓缸分別推動上、下壓塊指向所述反力框架的中部，所述上、下壓塊之間連 接有試壓盒，該試壓盒上端面開口，并緊密配合安裝有活動壓板，所述上壓塊 與該活動壓板固定連接，所述試壓盒的前立面為端蓋密封，右立面上開有突出 口，該突出口處設(shè)置有滑門，當(dāng)滑門關(guān)閉時，該滑門由門支撐機(jī)構(gòu)抵接并密封 住所述突出口。下液壓缸抵接并支撐住試壓盒的下端面，上液壓缸向下擠壓活動壓板，當(dāng) 活動壓板上連接的所有上液壓缸聯(lián)動時，活動壓板向試壓盒內(nèi)施加均勻的應(yīng)力， 能整體模擬巖面壓力；當(dāng)活動壓板上連接的部分上液壓缸做功推壓活動壓板時，就能模擬出采面由于采礦活動造成的局部應(yīng)力集中，從而實(shí)現(xiàn)了通過試驗(yàn)手段 模擬出造成突出的這一重要因素。所述試壓盒上端面開口與活動壓板的結(jié)合面上設(shè)置有橡膠密封圈。所述門支撐機(jī)構(gòu)包括一排固定在所述反力框架右立邊內(nèi)壁上的右液壓缸， 該右液壓缸的活塞推桿固定在同一支撐塊上，該支撐塊與所述滑門相接觸。所述反力框架的右立邊內(nèi)壁上固定有一排左液壓缸，該左液壓缸的活塞推 桿抵接所述試壓盒的左立面。所述反力框架上還螺栓固定有壓板，所述壓板分別為所述試壓盒的前立面 端蓋和后立面限位。左液壓缸、門支撐機(jī)構(gòu)和壓板抵接住試壓盒的四個側(cè)立面，防止試壓盒變 形，保證模擬試驗(yàn)的可靠性和穩(wěn)定性。所述試壓盒為平行四邊形盒結(jié)構(gòu)，該試壓盒的前、后、左、右面為直立面，上、下端面為斜面，斜面與水平夾角為a，所述上、下壓塊的端面與水平夾角 為a 。所述夾角a的范圍為0 45° 。針對現(xiàn)有技術(shù)的實(shí)驗(yàn)裝置模型都是水平，無法模擬現(xiàn)場實(shí)際瓦斯煤層水平 傾斜的情況，設(shè)計(jì)多個傾角a的平行四邊形試壓盒，相應(yīng)調(diào)整上、下壓塊的端 面水平夾角a，就可以滿足現(xiàn)場實(shí)際煤層傾角的模擬試驗(yàn)，尤其是頂?shù)装迨T 揭煤突出情況所遇到的煤層都是傾斜模擬試驗(yàn)。在所述試壓盒的下底面上開有凹槽，該凹槽開有進(jìn)氣孔與外界相通，所述 凹槽內(nèi)安裝金屬泡沫，所述金屬泡沬內(nèi)網(wǎng)狀分布有毛細(xì)通孔，毛細(xì)通孔使所述 進(jìn)氣孔與試壓盒內(nèi)腔空氣相通；利用金屬泡沫內(nèi)網(wǎng)狀分布的毛細(xì)通孔，將進(jìn)氣孔送入的高壓氣體以"面充 氣"的方式向試壓盒內(nèi)腔充氣，更能模擬出實(shí)際煤層中瓦斯氣壓。所述活動壓板開有出氣孔與外界相通。所述活動壓板的下端面開有凹槽，所述出氣孔位于該凹槽內(nèi)，該凹槽內(nèi)安 裝有過濾器，該過濾器內(nèi)的毛細(xì)通孔使所述出氣孔與試壓盒內(nèi)腔空氣相通。出氣孔將試壓盒內(nèi)的高壓氣送出，過濾器確保試壓盒內(nèi)的其他物質(zhì)不會被 氣流吹出試壓盒。所述進(jìn)氣孔和出氣孔中都安裝有快速氣接頭。本發(fā)明的顯著效果是提供一種巖層應(yīng)力模擬夾持裝置，既能整體模擬巖 面壓力，又能模擬采面由于采礦活動造成的局部應(yīng)力集中；還能模擬出現(xiàn)場實(shí) 際瓦斯煤層各種水平傾斜的情況，尤其是頂?shù)装迨T揭煤突出情況所遇到的傾 斜煤層模擬試驗(yàn)。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是滑門和突出口的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是試壓盒的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是進(jìn)氣孔和出氣孔的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。如圖l、 2所示 一種巖層應(yīng)力模擬夾持裝置，設(shè)置有矩形反力框架l，在 該反力框架1的兩個橫邊內(nèi)壁都固定有至少一排液壓缸，其中上、下橫邊上的 上、下液壓缸2、 2'推桿上分別固定有上、下壓塊3、 3，，所述上、下液壓缸2、 2，分別推動上、下壓塊3、 3，指向所述反力框架l的中部，所述上、下壓塊3、 3'之間連接有試壓盒4，該試壓盒4上端面開口，并緊密配合安裝有活動壓板 5，所述上壓塊3與該活動壓板5固定連接，所述試壓盒4的前立面為端蓋6密 封，右立面上開有突出口a，該突出口 a處設(shè)置有滑門7，當(dāng)滑門7關(guān)閉時，該 滑門7由門支撐機(jī)構(gòu)抵接并密封住所述突出口 a。所述試壓盒4上端面開口與活動壓板5的結(jié)合面上設(shè)置有橡膠密封圈。下液壓缸2'抵接并支撐住試壓盒4的下端面，上液壓缸2向下擠壓活動壓 板5，當(dāng)活動壓板5上連接的所有上液壓缸2聯(lián)動時，活動壓板5向試壓盒4內(nèi) 施加均勻的應(yīng)力，能整體模擬巖面壓力；當(dāng)活動壓板5上連接的部分上液壓缸2 做功推壓活動壓板5時，就能模擬出采面由于采礦活動造成的局部應(yīng)力集中， 從而實(shí)現(xiàn)了通過試驗(yàn)手段模擬出造成突出的這一重要因素。所述門支撐機(jī)構(gòu)包括一排固定在所述反力框架1右立邊內(nèi)壁上的右液壓缸 8，該右液壓缸8的活塞推桿固定在同一支撐塊9上，該支撐塊9與所述滑門7 相接觸。滑門7由汽缸驅(qū)動，汽缸驅(qū)動能保證滑門7能貼合在突出口 a上迅速開合， 汽缸可以與反力框架1固定連接，也可以與試壓盒4固定連接。所述反力框架1的右立邊內(nèi)壁上固定有一排左液壓缸8'，該左液壓缸8， 的活塞推桿抵接所述試壓盒4的左立面。所述反力框架1上還螺栓固定有壓板10，所述壓板10分別為所述試壓盒4 的前立面端蓋6和后立面限位。左液壓缸8'、門支撐機(jī)構(gòu)和壓板10抵接住試壓盒4的四個側(cè)立面，防止 試壓盒4變形，保證模擬試驗(yàn)的可靠性和穩(wěn)定性。如圖3所示所述試壓盒4為平行四邊形盒結(jié)構(gòu)，該試壓盒4的前、后、 左、右面為直立面，上、下端面為斜面，斜面與水平夾角為a，所述上、下壓 塊3、 3'的端面與水平夾角為a。所述夾角a的范圍為0 45° 。夾角a可以取6。 、 15° 、 30° 、 45° ，制 成不同傾角的試壓盒4，以滿足不同斜度巖石層的模擬需要。針對現(xiàn)有技術(shù)的實(shí)驗(yàn)裝置模型都是水平，無法模擬現(xiàn)場實(shí)際瓦斯煤層水平傾斜的情況，設(shè)計(jì)多個傾角a的平行四邊形試壓盒4，相應(yīng)調(diào)整上、下壓塊3、 3'的端面水平夾角a，就可以滿足現(xiàn)場實(shí)際煤層傾角的模擬試驗(yàn)，尤其是頂?shù)?板石門揭煤突出情況所遇到的煤層都是傾斜模擬試驗(yàn)。如圖4所示在所述試壓盒4的下底面上開有凹槽，該凹槽開有進(jìn)氣孔4a 與外界相通，所述凹槽內(nèi)安裝金屬泡沫12,所述金屬泡沫12內(nèi)網(wǎng)狀分布有毛細(xì) 通孔，毛細(xì)通孔使所述進(jìn)氣孔4a與試壓盒4內(nèi)腔空氣相通；利用金屬泡沫12內(nèi)網(wǎng)狀分布的毛細(xì)通孔，將進(jìn)氣孔4a送入的高壓氣體以 "面充氣"的方式向試壓盒4內(nèi)腔充氣，更能模擬出實(shí)際煤層中瓦斯氣壓。所述活動壓板5開有出氣孔5a與外界相通。所述活動壓板5的下端面開有凹槽，所述出氣孔5a位于該凹槽內(nèi)，該凹槽 內(nèi)安裝有過濾器12'，該過濾器12'內(nèi)的毛細(xì)通孔使所述出氣孔5a與試壓盒4 內(nèi)腔空氣相通。出氣孔5a將試壓盒4內(nèi)的高壓氣送出，過濾器12'可以采用金屬泡沬制作， 有具有很高的硬度，金屬泡沫5既能傳遞空氣流，又能承受住高壓且不變形， 保證高壓試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，確保試壓盒4內(nèi)的其他物質(zhì)不會被氣流吹出試壓盒4。所述進(jìn)氣孔4a和出氣孔5a中都安裝有快速氣接頭13。其工作原理是將從現(xiàn)場突出煤層所取煤樣用粉碎機(jī)粉碎后，將煤粉填充入試壓盒4，閉合 上滑門7和端蓋6，再啟動反力框架l四周內(nèi)壁安裝的液壓缸，對試壓盒4內(nèi)的 煤粉加壓，模擬巖層壓力。還可以通過進(jìn)氣孔4a和出氣孔5a向試壓盒4內(nèi)通入"瓦斯"，當(dāng)試壓盒4 內(nèi)壓力達(dá)到預(yù)定值后，穩(wěn)定住液壓缸，使試壓盒4內(nèi)保持壓力，松開門支撐機(jī) 構(gòu)，再迅速打開滑門7，從突出口 a處獲取煤與瓦斯突出試驗(yàn)的數(shù)據(jù)。
權(quán)利要求
1、一種巖層應(yīng)力模擬夾持裝置，其特征在于包括矩形反力框架(1)，在該反力框架(1)的兩個橫邊內(nèi)壁都固定有至少一排液壓缸，其中上、下橫邊上的上、下液壓缸(2、2’)推桿上分別固定有上、下壓塊(3、3’)，所述上、下液壓缸(2、2’)分別推動上、下壓塊(3、3’)指向所述反力框架(1)的中部，所述上、下壓塊(3、3’)之間連接有試壓盒(4)，該試壓盒(4)上端面開口，并緊密配合安裝有活動壓板(5)，所述上壓塊(3)與該活動壓板(5)固定連接，所述試壓盒(4)的前立面為端蓋(6)密封，右立面上開有突出口(a)，該突出口(a)處設(shè)置有滑門(7)，當(dāng)滑門(7)關(guān)閉時，該滑門(7)由門支撐機(jī)構(gòu)抵接并密封住所述突出口(a)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的巖層應(yīng)力模擬夾持裝置，其特征在于所述門支 撐機(jī)構(gòu)包括一排固定在所述反力框架(1)右立邊內(nèi)壁上的右液壓缸(8)，該右 液壓缸(8)的活塞推桿固定在同一支撐塊(9)上，該支撐塊(9)伸向所述反 力框架(1)的中部，并與所述滑門(7)相接觸。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的巖層應(yīng)力模擬夾持裝置，其特征在于所述反力 框架(1)的右立邊內(nèi)壁上固定有一排左液壓缸(8')，該左液壓缸(8，)的活 塞推桿抵接所述試壓盒(4)的左立面。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的巖層應(yīng)力模擬夾持裝置，其特征在于所述反力 框架(1)上還螺栓固定有壓板(10)，所述壓板(10)分別為所述試壓盒(4) 的前立面端蓋(6)和后立面限位。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的巖層應(yīng)力模擬夾持裝置，其特征在于所述試壓 盒(4)為平行四邊形盒結(jié)構(gòu)，該試壓盒(4)的前、后、左、右面為直立面， 上、下端面為斜面，斜面與水平夾角為a，所述上、下壓塊(3、 3')的端面與 水平夾角為a ;所述夾角a的范圍為0 45° 。
6、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的巖層應(yīng)力模擬夾持裝置，其特征在于 在所述試壓盒(4)的下底面上開有凹槽，該凹槽開有進(jìn)氣孔(4a)與外界相通，所述凹槽內(nèi)安裝金屬泡沫(12)，所述金屬泡沫(12)內(nèi)網(wǎng)狀分布有毛細(xì) 通孔，毛細(xì)通孔使所述進(jìn)氣孔(4a)與試壓盒(4)內(nèi)腔空氣相通； 所述活動壓板(5)開有出氣孔(5a)與外界相通。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1或6所述的巖層應(yīng)力模擬夾持裝置，其特征在于所述 活動壓板(5)的下端面開有凹槽，所述出氣孔(5a)位于該凹槽內(nèi)，該凹槽內(nèi) 安裝有過濾器(12')，該過濾器(12')內(nèi)的毛細(xì)通孔使所述出氣孔(5a)與試 壓盒(4)內(nèi)腔空氣相通。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1或6所述的巖層應(yīng)力模擬夾持裝置，其特征在于所述 進(jìn)氣孔(4a)和出氣孔(5a)中都安裝有快速氣接頭(13)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種巖層應(yīng)力模擬夾持裝置，其特征在于包括矩形反力框架，在該反力框架的兩個橫邊內(nèi)壁都固定有至少一排液壓缸，在上、下液壓缸推桿上分別固定有上、下壓塊，上、下壓塊之間抵接有試壓盒，該試壓盒上端面開口，并緊密配合安裝有活動壓板，所述上壓塊與該活動壓板相抵接，所述試壓盒的前立面為端蓋密封，右立面上開有突出口，該突出口處設(shè)置有滑門，當(dāng)滑門關(guān)閉時，該滑門由門支撐機(jī)構(gòu)抵接并密封住所述突出口。其顯著效果是既能整體模擬巖面壓力，又能模擬采面由于采礦活動造成的局部應(yīng)力集中；還能模擬出現(xiàn)場實(shí)際瓦斯煤層各種水平傾斜的情況，尤其是頂?shù)装迨T揭煤突出情況所遇到的傾斜煤層模擬試驗(yàn)。
文檔編號G01N33/00GK101226184SQ20081006927
公開日2008年7月23日 申請日期2008年1月22日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月22日
發(fā)明者尹光志, 李樹春, 王登科, 王維忠, 江 許, 趙洪寶, 陶云奇, 魏作安, 鮮學(xué)福 申請人:重慶大學(xué)